De acordo com os conceitos de cinética química, equilibrio químico e eletroquímica descreva o que acontece quando carregamos um aparelho celular com carregador normal (12 amperes) e com os carregadores chamados turbo (20 amperes).
Lembre e descreva as reações que ocorrem:
a) na bateria do celular durante a carga
b) Quando a bateria descarrega as reações na bateria estão ocorrendo, de que maneira?
c) E com a bateria funcionando normalmente, pense e escreva sobre isso conectando, corretamente, os conceitos.

Passo 1

O enunciado pede para usarmos conceitos de cinética química, equilíbrio químico e eletroquímica para descrever o que acontece ao carregar um celular com carregador normal 12\,\mathrm{A} e turbo 20\,\mathrm{A}, lembrando de explicitar:
a) as reações na bateria durante a carga;
b) as reações na bateria durante a descarga;
c) o que ocorre com a bateria em funcionamento normal (estado de repouso e equilíbrio eletroquímico).

Passo 2

Durante a carga de uma bateria de íons de lítio estamos invertendo a reação de descarga. Tomando como exemplo eletrodos grafite/óxido de cobalto-lítio, as principais metass reações são:
\text{Cátodo (reação de oxidação durante carga):} \quad \mathrm{LiCoO_{2}} \;\longrightarrow\; \mathrm{Li^{+}} \;+\; e^{-}\;+\;\mathrm{CoO_{2}}áçãçã
\textÂnodo (reação de redução durante carga): \quad \mathrm{Li^{+}} \;+\; e^{-}\;+\;6\,\mathrm{C} \;\longrightarrow\; \mathrm{LiC_{6}}Âçãçã
Reação global na carga:
\mathrm{LiCoO_{2}} \;+\;6\,\mathrm{C} \;\longrightarrow\; \mathrm{CoO_{2}} \;+\; \mathrm{LiC_{6}}
Cinética e diferença de carga normal 12\,\mathrm{A} vs turbo 20\,\mathrm{A}:
  • A velocidade de reação eletroquímica é dada por
v = \frac{I}{nF},
onde I é a corrente, n o número de elétrons trocados e F a constante de Faraday.
  • Com 20\,\mathrm{A} a taxa de intercalamento de \mathrm{Li^{+}} em grafite é maior, mas isso aumenta a sobrepotencial \eta (polarização), gerando maior aquecimento e risco de formação de dendritos de lítio.
  • Em correntes mais altas, a limitação por difusão de \mathrm{Li^{+}} no eletrólito e no sólido fica mais severa, afastando o sistema do potencial de equilíbrio e podendo degradar a vida útil da bateria.

Passo 3

Na descarga a reação global e as metass reações se invertem:
\textÂnodo (oxidação durante descarga): \quad \mathrm{LiC_{6}} \;\longrightarrow\; \mathrm{Li^{+}} \;+\; e^{-}\;+\;6\,\mathrm{C}Âçã
\textCátodo (redução durante descarga): \quad \mathrm{Li^{+}} \;+\; e^{-}\;+\;\mathrm{CoO_{2}} \;\longrightarrow\; \mathrm{LiCoO_{2}}
Reação global na descarga:
\mathrm{LiC_{6}} \;+\;\mathrm{CoO_{2}} \;\longrightarrow\; 6\,\mathrm{C} \;+\;\mathrm{LiCoO_{2}}
Aqui a corrente de descarga gera fluxo de elétrons pelo circuito externo e íons pelo eletrólito; a cinética depende da mesma relação v=I/(nF), e correntes muito altas também causam polarização e quedas de tensão internas.

Passo 4

Em funcionamento normal, sem carga ou descarga (circuito aberto), a bateria atinge um equilíbrio dinâmico entre as metass reações. O potencial de circuito aberto E_{\mathrm{oc}} vem da diferença de potenciais de cada eletrodo, dada pela equação de Nernst:
E_{\mathrm{oc}} \;=\; E^{\circ} \;-\;\frac{RT}{nF}\ln Q,
em que Q é o quociente de reação, R a constante dos gases e T a temperatura.
  • No equilíbrio dinâmico há trocas de elétrons e íons em nível molecular, mas o balanço macroscópico de concentrações não muda.
  • Pequena auto­-descarga ocorre por reações laterais de decomposição do eletrólito ou expansão/contração de eletrodos.

Resposta

a) Na carga, ocorre a oxidação de \mathrm{LiCoO_{2}} no cátodo e a redução de \mathrm{Li^{+}} no ânodo, formando \mathrm{LiC_{6}}. A corrente maior 20\,\mathrm{A} acelera essa cinética mas aumenta sobrepotencial, aquecimento e risco de degradação.
b) Na descarga, invertem-se as reações: \mathrm{LiC_{6}} é oxidado no ânodo e \mathrm{Li^{+}} reduzido no cátodo, liberando energia elétrica.
c) Em repouso a bateria está em equilíbrio eletroquímico, com potencial de circuito aberto definido pela equação de Nernst. Há dinâmica molecular de troca de íons e elétrons, mas sem variação na concentração macroscópica, além de pequena auto­-descarga por reações secundárias.

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